專利名稱：一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源功率變換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備。
背景技術(shù)：
在新能源供電系統(tǒng)中，由于新能源產(chǎn)生的電能都是電壓較低的直流電，而在很多應用場景中(如并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng))需要電壓較高的直流電，因此新能源供電系統(tǒng)都具有功率變換器把低電壓直流電轉(zhuǎn)換為適合的高電壓直流電；此外，功率變換器還需要負責新能源、蓄電池、負載三者之間的能量管理與控制。常規(guī)的升壓型(Boost)交錯并聯(lián)直流-直流變換器的輸出電壓增益較小，功率開關(guān)管的電壓應力較大，功率開關(guān)管為硬開關(guān)工作，開關(guān)損耗較大，續(xù)流二極管的反向恢復電流較大，反向恢復損耗較大。近年來，相繼研究了一些軟開關(guān)電路，通過附加有源功率開關(guān)和無源電感、電容等器件或是通過附加二極管和無源電感、電容等器件來實現(xiàn)功率開關(guān)管 的軟開關(guān)。在實際新能源供電系統(tǒng)中為實現(xiàn)并網(wǎng)或者獨立系統(tǒng)中能量的持續(xù)性需要加入蓄電池從而實現(xiàn)可調(diào)度的系統(tǒng)。為此需要多個功率變換器裝置或者多級裝置，從而增加了系統(tǒng)控制的復雜度和成本。故傳統(tǒng)的新能源供電系統(tǒng)如圖I所示，該系統(tǒng)需要兩套功率變換器裝置來實現(xiàn)新能源-蓄電池、新能源-負載以及蓄電池-負載的功率轉(zhuǎn)換；而大量的功率變換器件成本高、效率低。如圖2所示，基于三端口功率變換器的新能源供電系統(tǒng)可以很好的解決傳統(tǒng)功率變換器件多的問題；其中典型的一種結(jié)構(gòu)如圖3所示，該電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是所用開關(guān)管較少，但是缺點也很明顯，主要缺點如下(I)因為是單磁芯結(jié)構(gòu)所以傳輸功率有限，利用該拓撲結(jié)構(gòu)不能利用在功率較大 的場合；(2)由于該電路的本質(zhì)是半橋結(jié)構(gòu)所以存在副邊升壓能力有限，從而限制了該拓撲結(jié)構(gòu)在高升壓場合的應用，例如輸入源為光伏電池、燃料電池，輸出負載為并網(wǎng)或獨立運行的逆變器；(3)由于原邊電流紋波較大，在需要控制輸入源最佳工作點的情況下例如燃料電池或者光伏電池板，該拓撲的在控制上將遇到很大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，原邊電流低紋波，功率轉(zhuǎn)換效率高。一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，包括一新能源電池、一能量存儲器、一逆阻二極管、兩個耦合電感、四個主開關(guān)管、兩個鉗位開關(guān)管、兩個鉗位電容、兩個整流二極管和兩個濾波電容；其中
新能源電池的正極與逆阻二極管的陽極相連，逆阻二極管的陰極與第一主開關(guān)管的漏極和第二主開關(guān)管的漏極相連，第一主開關(guān)管的源極與第三主開關(guān)管的漏極、第一鉗位開關(guān)管的源極和第一耦合電感原邊線圈的非同名端相連，第二主開關(guān)管的源極與第四主開關(guān)管的漏極、第二鉗位開關(guān)管的源極和第二耦合電感原邊線圈的非同名端相連，第三主開關(guān)管的源極與第四主開關(guān)管的源極和能量存儲器的負極相連，第一鉗位開關(guān)管的漏極與第一鉗位電容的一端相連，第二鉗位開關(guān)管的漏極與第二鉗位電容的一端相連，新能源電池的負極與第一鉗位電容的另一端、第二鉗位電容的另一端、第一耦合電感原邊線圈的同名端、第二耦合電感原邊線圈的同名端和能量存儲器的正極相連；
第一耦合電感副邊線圈的非同名端與第二耦合電感副邊線圈的非同名端相連，第二耦合電感副邊線圈的同名端與第一整流二極管的陽極和第二整流二極管的陰極相連，第一率禹合電感副邊線圈的同名端與第一濾波電容的一端和第二濾波電容的一端相連，第一整流二極管的陰極與第一濾波電容的另一端相連并構(gòu)成正輸出端，第二整流二極管的陽極與第二濾波電容的另一端相連并構(gòu)成負輸出端；所述的主開關(guān)管的柵極以及鉗位開關(guān)管的柵極均接收外部設備提供的控制信號。所述的主開關(guān)管和鉗位開關(guān)管均采用NMOS管。新能源電池是一種直接把可再生能源(如核能、太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能等)轉(zhuǎn)化成電能的裝置，優(yōu)選地，所述的新能源電池為光伏電池；相對于其他新能源電池，其不受環(huán)境限制，使用方便。能量存儲器是一種用于存儲電能的裝置(如蓄電池、超級電容等)，優(yōu)選地，所述的能量存儲器為蓄電池；其具有較高的能量存儲密度，且價格便宜，具有普適性。本發(fā)明的工作原理為當新能源電池可工作時，第一主開關(guān)管和第二主開關(guān)管工作，鉗位開關(guān)管不工作，新能源電池輸出的電能給負載供電，第一耦合電感和第二耦合電感中的漏感中的能量給蓄電池充電，且能限制開關(guān)管電壓應力；當新能源電池不工作時，蓄電池通過順序?qū)ǖ谌鏖_關(guān)管、第四主開關(guān)管、第一鉗位開關(guān)管、第二鉗位開關(guān)管給負載供電，第三主開關(guān)管和第一鉗位開關(guān)管構(gòu)成軟開關(guān)電路，第四主開關(guān)管和第二鉗位開關(guān)管構(gòu)成軟開關(guān)電路。本發(fā)明采用交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以很好的提高設備的功率傳輸能力，其功率傳輸能力可擴展至IOKW ;由于是交錯并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過控制主開關(guān)管的相位，可以實現(xiàn)輸入電流的低紋波，從而易于實現(xiàn)新能源電池的最大功率點跟蹤控制；同時，本發(fā)明采用了有源鉗位結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)主開關(guān)管的軟開關(guān)，從而降低了損耗，提高了效率；另外，本發(fā)明采用了負載側(cè)兩個耦合電感式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)較高升壓能力；新能源電池工作時，既可以給負載側(cè)供電，同時可以給蓄電池供電；當新能源電池不工作時，通過蓄電池仍然可以給負載側(cè)供電。


圖I為基于多功率變換器的新能源供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為基于三端口功率變換器的新能源供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為傳統(tǒng)基于三端口功率變換器的新能源供電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明新能源供電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)I的電路原理示意圖。圖6為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)2的電路原理示意圖。圖7為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)3的電路原理示意圖。圖8為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工 作狀態(tài)4的電路原理示意圖。圖9為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)5的電路原理示意圖。圖10為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)6的電路原理示意圖。圖11為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)7的電路原理示意圖。圖12為本發(fā)明光伏電池供電時功率變換工作狀態(tài)8的電路原理示意圖。圖13為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)I的電路原理示意圖。圖14為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)2的電路原理示意圖。圖15為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)3的電路原理示意圖。圖16為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)4的電路原理示意圖。圖17為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)5的電路原理示意圖。圖18為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)6的電路原理示意圖。圖19為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)7的電路原理示意圖。圖20為本發(fā)明蓄電池供電時功率變換工作狀態(tài)8的電路原理示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案及其工作原理進行詳細說明。如圖4所示，一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，包括一光伏電池F、一蓄電池E、一逆阻二極管D、兩個耦合電感L1 L2、四個主開關(guān)管S1 S4、兩個鉗位開關(guān)管Q1 Q2、兩個鉗位電容C1 C2、兩個整流二極管Z1 Z2和兩個濾波電容Co1 Co2 ；其中光伏電池F的正極與逆阻二極管D的陽極相連，逆阻二極管D的陰極與第一主開關(guān)管S1的漏極和第二主開關(guān)管S2的漏極相連，第一主開關(guān)管S1的源極與第三主開關(guān)管S3的漏極、第一鉗位開關(guān)管Q1的源極和第一耦合電感L1原邊線圈的非同名端相連，第二主開關(guān)管S2的源極與第四主開關(guān)管S4的漏極、第二鉗位開關(guān)管Q2的源極和第二耦合電感L2原邊線圈的非同名端相連，第三主開關(guān)管S3的源極與第四主開關(guān)管S4的源極和蓄電池E的負極相連，第一鉗位開關(guān)管Q1的漏極與第一鉗位電容C1的一端相連，第二鉗位開關(guān)管Q2的漏極與第二鉗位電容C2的一端相連，光伏電池F的負極與第一鉗位電容(^的另一端、第二鉗位電容C2的另一端、第一耦合電感L1原邊線圈的同名端、第二耦合電感L2原邊線圈的同名端和蓄電池E的正極相連；第一耦合電感L1副邊線圈的非同名端與第二耦合電感L2副邊線圈的非同名端相連，第二耦合電感L2副邊線圈的同名端與第一整流二極管Z1的陽極和第二整流二極管Z2的陰極相連，第一稱合電感L1副邊線圈的同名端與第一濾波電容Co1的一端和第二濾波電容Co2的一端相連,第一整流二極管Z1的陰極與第一濾波電容Co1的另一端相連并接電阻負載R的一端，第二整流二極管Z2的陽極與第二濾波電容Co2的另一端相連并接電阻負載R的另一端；
主開關(guān)管S1 S4的柵極以及鉗位開關(guān)管Q1 Q2的柵極均接收外部設備提供的控制信號；本實施方式中，主開關(guān)管S1 S4和鉗位開關(guān)管Q1 Q2均米用NMOS管。本實施方式分以下兩種工作狀態(tài)(I)光伏電池F正常工作運行(白天陽光普照)，輸出回路能量由光伏電池F提供，鉗位開關(guān)管Q1 Q2處于常閉狀態(tài)，不參與工作過程；電路工作狀態(tài)包括以下幾個過程工作狀態(tài)I (如圖5所示)，主開關(guān)管SpS2均開通，QpQ2關(guān)斷，在輸入電壓作用下耦合電感原邊儲能，原邊勵磁電流線性增加，電容C0l、Co2串聯(lián)向負載R供電。工作狀態(tài)2 (如圖6所示)，S1關(guān)斷，耦合電感L1勵磁電流給S1寄生電容充電，開關(guān)管S1間電壓線性增加，耦合電感L2原邊勵磁電流繼續(xù)線性增加，電容C0l、Co2串聯(lián)向負載R供電。
工作狀態(tài)3 (如圖7所示)，S1寄生電容兩端電壓升高到一定值后整流二極管Z2導通，此時耦合電感L1工作在反激狀態(tài)，L2工作在正激狀態(tài)，光伏電池F和耦合電感中的能量開始向電容Co2傳遞，同時電容C0l、Co2串聯(lián)向負載R供電。工作狀態(tài)4(如圖8所示)，S1寄生電容兩端電壓升到箝位電壓時S3反并二極管導通，L2繼續(xù)儲能電流線性增大，耦合電感L1中能量向電容Co2充電，同時也為蓄電池E充電。工作狀態(tài)5 (如圖9所示)，S3開通，此時S3為零電壓開關(guān)開通，流過其反并二極管電流迅速向S3轉(zhuǎn)移。工作狀態(tài)6 (如圖10所示)，S3關(guān)斷，漏感L1與開關(guān)管S1寄生電容諧振，漏感上的一部分能量向負載R傳遞，另一部分向L2傳遞。工作狀態(tài)7 (如圖11所示)，S1寄生電容兩端電壓降為0，寄生電容與漏感L1諧振過程結(jié)束，此時S1反并二極管導通續(xù)流，漏感電流在電容Co2的電壓作用下線性下降。工作狀態(tài)8 (如圖12所示)，S1導通，此時S1為零電壓開關(guān)開通，整流二極管繼續(xù)續(xù)流導通直至電流降為0，二極管Z2截止。此時SpS2均開通，原邊勵磁電流線性增加，電容Co” Co2串聯(lián)向負載R供電。開關(guān)管S2在一個周期內(nèi)的工作狀態(tài)與S1同理。(2)當光伏電池F不工作(夜晚或陰雨天無光照)，輸出回路能量由蓄電池E提供，主開關(guān)管Si、S2處于常閉狀態(tài)，不參與工作過程；電路工作狀態(tài)包括以下幾個過程工作狀態(tài)I (如圖13所示)，33、54均開通，Qp Q2關(guān)斷，在輸入電壓作用下耦合電感原邊儲能，原邊勵磁電流線性增加，電容Co1、Co2串聯(lián)向負載R供電。工作狀態(tài)2 (如圖14所示)，S3關(guān)斷，電感L1勵磁電流給S3寄生電容充電，開關(guān)管間電壓線性增加，L2原邊勵磁電流繼續(xù)線性增加，電容Co1、Co2串聯(lián)向負載R供電。工作狀態(tài)3 (如圖15所示)，S3寄生電容兩端電壓升高到一定值后整流二極管Z1導通，此時耦合電感L1工作在反激狀態(tài)，L2I作在正激狀態(tài)，蓄電池E和耦合電感中的能量開始向電容Co1傳遞，同時電容Co1、Co2串聯(lián)向負載R供電。工作狀態(tài)4(如圖16所示)，S3寄生電容兩端電壓升到箝位電壓時Q1反并二極管導通，L2繼續(xù)儲能電流線性增大，耦合電感L1中能量向輸出電容Co1充電。工作狀態(tài)5 (如圖17所示)，Q1開通，此時Q1為零電壓開關(guān)開通，流過其反并二極管電流迅速向Q1轉(zhuǎn)移。
工作狀態(tài)6(如圖18所示)，Q1關(guān)斷，漏感L1與開關(guān)管S3寄生電容Cs3諧振，漏感L1上的一部分能量向負載R傳遞，另一部分向蓄電池E傳遞。工作狀態(tài)7 (如圖19所示)，S3寄生電容兩端電壓降為0，寄生電容與漏感L1諧振過程結(jié)束，此時S3反并二極管導通續(xù)流，漏感電流在電容Co1的電壓作用下線性下降。工作狀態(tài)8 (如圖20所示)，S3導通，此時S3為零電壓開關(guān)開通，整流 二極管繼續(xù)續(xù)流導通直至電流降為0，二極管Z1截止。此時s3、s4均開通，原邊勵磁電流線性增加，電容Co” Co2串聯(lián)向負載R供電。開關(guān)管S4在一個周期內(nèi)的工作狀態(tài)與S3同理。
權(quán)利要求
1.一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，其特征在于，包括一新能源電池、一能量存儲器、一逆阻二極管、兩個耦合電感、四個主開關(guān)管、兩個鉗位開關(guān)管、兩個鉗位電容、兩個整流二極管和兩個濾波電容；其中 新能源電池的正極與逆阻二極管的陽極相連，逆阻二極管的陰極與第一主開關(guān)管的漏極和第二主開關(guān)管的漏極相連，第一主開關(guān)管的源極與第三主開關(guān)管的漏極、第一鉗位開關(guān)管的源極和第一耦合電感原邊線圈的非同名端相連，第二主開關(guān)管的源極與第四主開關(guān)管的漏極、第二鉗位開關(guān)管的源極和第二耦合電感原邊線圈的非同名端相連，第三主開關(guān)管的源極與第四主開關(guān)管的源極和能量存儲器的負極相連，第一鉗位開關(guān)管的漏極與第一鉗位電容的一端相連，第二鉗位開關(guān)管的漏極與第二鉗位電容的一端相連，新能源電池的負極與第一鉗位電容的另一端、第二鉗位電容的另一端、第一耦合電感原邊線圈的同名端、第二耦合電感原邊線圈的同名端和能量存儲器的正極相連； 第一耦合電感副邊線圈的非同名端與第二耦合電感副邊線圈的非同名端相連，第二耦合電感副邊線圈的同名端與第一整流二極管的陽極和第二整流二極管的陰極相連，第一耦合電感副邊線圈的同名端與第一濾波電容的一端和第二濾波電容的一端相連，第一整流二 極管的陰極與第一濾波電容的另一端相連并構(gòu)成正輸出端，第二整流二極管的陽極與第二濾波電容的另一端相連并構(gòu)成負輸出端； 所述的主開關(guān)管的柵極以及鉗位開關(guān)管的柵極均接收外部設備提供的控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，其特征在于所述的主開關(guān)管和鉗位開關(guān)管均采用NMOS管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，其特征在于所述的新能源電池為光伏電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，其特征在于所述的能量存儲器為蓄電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隔離型基于三端口功率變換器的新能源供電設備，由一新能源電池、一能量存儲器、一逆阻二極管、兩個耦合電感、四個主開關(guān)管、兩個鉗位開關(guān)管、兩個鉗位電容、兩個整流二極管和兩個濾波電容相互連接構(gòu)成；本發(fā)明采用交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)通過控制主開關(guān)管的相位，可以實現(xiàn)輸入電流的低紋波，從而易于實現(xiàn)新能源電池的最大功率點跟蹤控制；同時，本發(fā)明采用了有源鉗位結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)主開關(guān)管的軟開關(guān)，從而降低了損耗，提高了效率；另外，本發(fā)明采用了負載側(cè)兩個耦合電感式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)較高升壓能力；新能源電池工作時，既可以給負載側(cè)供電，同時可以給蓄電池供電；當新能源電池不工作時，通過蓄電池仍然可以給負載側(cè)供電。
文檔編號H02M3/315GK102751876SQ20121024815
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者徐惠, 胡義華, 路曉尋, 鄧焰, 龍江濤 申請人:浙江大學